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虚拟现实技术的应用现状及发展
摘要： 本文全面回顾了虚拟现实技术的发展历史和研究背景，介绍了虚拟现实技术的构成和技术特点，分析了虚拟现实系统在遥现技术、仿真技术、对象可视化技术等方面的应用现状，并重点论述了分布式虚拟现实系统的应用和发展前景。关键词：虚拟现实 虚拟环境 分布式虚拟现实系统
虚拟现实技术简介
虚拟现实技术（Virtual Reality），又称灵境技术，是90年代为科学界和工程界所关注的技术。它的兴起，为人机交互界面的发展开创了新的研究领域；为智能工程的应用提供了新的界面工具；为各类工程的大规模的数据可视化提供了新的描述方法。这种技术的特点在于，计算机产生一种人为虚拟的环境，这种虚拟的环境是通过计算机图形构成的三度空间，或是把其它现实环境编制到计算机中去产生逼真的“虚拟环境”,从而使得用户在视觉上产生一种沉浸于虚拟环境的感觉。这种技术的应用，改进了人们利用计算机进行多工程数据处理的方式，尤其在需要对大量抽象数据进行处理时；同时，它在许多不同领域的应用，可以带来巨大的经济效益。
1.虚拟现实技术的发展概述〖1〗
1965年，Sutherland在篇名为《终极的显示》的论文中首次提出了包括具有交互图形显示、力反馈设备以及声音提示的虚拟现实系统的基本思想，从此，人们正式开始了对虚拟现实系统的研究探索历程。
随后的1966年，美国MIT的林肯实验室正式开始了头盔式显示器的研制工作。在这第一个HMD的样机完成不久，研制者又把能模拟力量和触觉的力反馈装置加入到这个系统中。1970年，出现了第一个功能较齐全的HMD系统。基于从60年代以来所取得的一系列成就，美国的Jaron Lanier 在80年代初正式提出了“Virtual Reality”一词。
80年代，美国宇航局（NASA）及美国国防部组织了一系列有关虚拟现实技术的研究，并取得了令人瞩目的研究成果，从而引起了人们对虚拟现实技术的广泛关注。1984年，NASA Ames研究中心虚拟行星探测实验室的M.McGreevy 和J.Humphries博士组织开发了用于火星探测的虚拟环境视觉显示器，将火星探测器发回的数据输入计算机，为地面研究人员构造了火星表面的三维虚拟环境。在随后的虚拟交互环境工作站（VIEW）项目中，他们又开发了通用多传感个人仿真器和遥现设备。
进入90年代，迅速发展的计算机硬件技术与不断改进的计算机软件系统相匹配，使得基于大型数据集合的声音和图象的实时动画制作成为可能；人机交互系统的设计不断创新，新颖、实用的输入输出设备不断地进入市场。而这些都为虚拟现实系统的发展打下了良好的基础。例如1993年的11月，宇航员利用虚拟现实系统成功地完成了从航天飞机的运输舱内取出新的望远镜面板的工作，而用虚拟现实技术设计波音777获得成功，是近年来引起科技界瞩目的又一件工作。可以看出，正是因为虚拟现实系统极其广泛的应用领域，如娱乐、军事、航天、设计、生产制造、信息管理、商贸、建筑、医疗保险、危险及恶劣环境下的遥操作、教育与培训、信息可视化以及远程通讯等，人们对迅速发展中的虚拟现实系统的广阔应用前景充满了憧憬与兴趣。
2.虚拟现实系统的研究现状
计算机的发展提供了一种计算工具和分析工具，并因此导致了许多解决问题的新方法的产生。虚拟现实技术的产生与发展也同样如此，就虚拟现实本身而言，它主要涉及到三个研究领域：
通过计算机图形方式建立实时的三维视觉效果；
建立对虚拟世界的观察界面；
使用虚拟现实技术加强诸如科学计算技术等方面的应用。
图（1）表示的是虚拟现实系统领域的组成示意图。
图（1）虚拟现实系统领域的组成示意图
虚拟现实的有关技术特征及构成
从本质上说，虚拟现实就是一种先进的计算机用户接口，它通过给用户同时提供诸如
视、听、触等各种直观而又自然的实时感知交互手段、最大限度地方便用户的操作，从而减轻用户的负担、提高整个系统的工作效率。
1.虚拟现实技术的重要技术特征〖2〗
虚拟现实的定义可以归纳如下：虚拟现实是利用计算机生成一种模拟环境（如飞机驾驶舱、操作现场等），通过多种传感设备使用户“投入”到该环境中，实现用户与该环境直接进行自然交互的技术。虚拟现实技术因此具有以下四个重要特征：
多感知性
所谓多感知性就是说除了一般计算机所具有的视觉感知外，还有听觉感知、力觉感知、触觉感知、运动感知、甚至包括味觉感知、嗅觉感知等。理想的虚拟现实就是应该具有人所具有的感知功能。
II.存在感
又称临场感，它是指用户感到作为主角存在于模拟环境中的真实程度。理想的模拟环境应该达到使用户难以分辨真假的程度。
III交互性
交互性是指用户对模拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度（包括实时性）。例如，用户可以用手去直接抓取环境中的物体，这时手有握着东西的感觉，并可以感觉物体的重量，视场中的物体也随着手的移动而移动。
IV.自主性
是指虚拟环境中物体依据物理定律动作的程度。例如，当受到力的推动时，物体会向力的方向移动、或翻倒、或从桌面落到地面等。
2.虚拟现实系统的构成
虚拟现实系统的模型表示如图（2）。用户通过传感装置直接对虚拟环境进行操作，并得到实时三维显示和其它 反馈信息（如触觉、力觉反馈等）。当系统与外部世界通过传感装置构成反馈闭环时，在用户的控制下，用户与虚拟环境间的交互可以对外部世界产生作用（如遥操作等）。
图（2）虚拟现实系统的模型
虚拟现实系统主要由以下六个模块构成（如图（3））。
图（3）虚拟现实系统的构成
检测模块：检测用户的操作命令，并通过传感器模块作用于虚拟环境。
反馈模块：接受来自传感器模块信息，为用户提供实时反馈。
传感器模块：一方面接受来自用户的操作命令，并将其作用于虚拟环境；另一方面
将操作后产生的结果以各种反馈的形式提供给用户。
控制模块：对传感器进行控制，使其对用户、虚拟环境和现实世界产生作用。
建模模块：获取现实世界组成部分的三维表示，并由此构成对应的虚拟环境。
现有虚拟现实系统的关键技术
虚拟现实的关键技术可以包括以下几个方面：〖3〗
（1）动态环境建模技术
虚拟环境的建立是虚拟现实技术的核心内容。动态环境建模技术的目的是获取实际环境的三维数据，并根据应用的需要，利用获取的三维数据建立相应的虚拟环境模型。三维数据的获取可以采用CAD技术（有规则的环境），而更多的环境则需要采用非接触式的视觉建模技术，两者的有机结合可以有效地提高数据获取的效率。
（2）实时三维图形生成技术
三维图形的生成技术已经较为成熟，其关键是如何实现“实时”生成。为了达到实时的目的，至少要保证图形的刷新率不低于15桢/秒，最好是高于30桢/秒。在不降低图形的质量和复杂度的前提下，如何提高刷新频率将是该技术的研究内容。
（3）立体显示和传感器技术
虚拟现实的交互能力依赖于立体显示和传感器技术的发展。现有的虚拟现实还远远不能满足系统的需要，例如，数据手套有延迟大、分辨率低、作用范围小、使用不便等缺点；虚拟现实设备的跟踪精度和跟踪范围也有待提高，因此有必要开发新的三维显示技术。
（4）应用系统开发工具
虚拟现实应用的关键是寻找合适的场合和对象，即如何发挥想象力和创造力。选择适当的应用对象可以大幅度地提高生产效率、减轻劳动强度、提高产品开发质量。为了达到这一目的，必须研究虚拟现实的开发工具。例如，虚拟现实系统开发平台、分布式虚拟现实技术等。
系统集成技术
由于虚拟现实中包括大量的感知信息和模型，因此系统的集成技术起着至关重要的
作用。集成技术包括信息的同步技术、模型的标定技术、数据转换技术、数据管理模型、识别和合成技术等等。
虚拟现实技术的应用领域
虚拟现实技术的应用前景是很广阔的。它可应用于建模与仿真、科学计算可视化、设
计与规划、教育与训练、遥作与遥现、医学、艺术与娱乐等多个方面。下面我们分别讨论几个典型的应用例子。
用于遥控机器人的遥现技术
遥现技术〖4〗是指当实际上在某一个地方时，可以产生在另一个地方的感觉。虚拟现实
涉及到体验由计算机产生的三维虚拟环境，而遥现则涉及到体验一个遥远的真实环境。遥现技术在实际应用中需要虚拟环境的指导。例如，在遥控宇宙空军站的开发计划中，从安全性以及费用的角度考虑，我们有必要使用空间机器人。这种空间机器人的特点是由地面上的操作员进行遥操作，或进行部分自主操作。对于像零件更换的固定操作可以完全自主进行，而对于故障检修等难以预测的操作则有必要依赖于遥操作。这时，虚拟现实技术和遥现技术将发挥重要的作用。为研究新一代空间机器人的遥操作技术，日本开发了宇宙开发地面实验平台。该实验平台有人-机交互、计算机系统以及机器人系统所构成。现在，在该实验平台上进行了零件更换等空间机器人的典型操作实验，实现了实验平台的基本功能。
仿真技术
虚拟环境是计算机生成的具有沉浸感的环境，它对参与者生成诸如视觉、听觉、触觉、
味觉等各种感官信息，给参与者一种身临其境的感觉。因此，虚拟环境是一种新发展的、具有新含义的一种人机交互系统。
飞行仿真系统
飞行仿真系统由四部分组成，即飞行员的操纵舱系统显示外部图象的视觉系统产生运动感的运动系统计算和控制飞行运动的计算机系统。
计算机系统是飞行仿真系统的中枢，用它来计算飞行的运动、控制仪表及指示灯、驾驶杆等信号。视觉系统和运动系统与虚拟现实密切相关，其中，视觉系统向飞行员提供外界的视觉信息。该系统由产生视觉图象的“图象产生部”和将产生的信号提供给飞行员的“视觉显示部”组成。在图象产生部，随着计算机图形学的发展，现在使用称为CGI（Computer Generated Imagery）的视觉产生装置。在CGI中利用纹理图形驾驶可以产生云彩、海面的波浪等效果。另外，利用图象映射驾驶可以从航空照片上将农田以及城市分离出来，并作为图象数据加以利用。视觉显示部向飞行员提供具有真实感的图象，图象的显示有无限远显示方式、广角方式、半球方式以及立体眼镜和头盔式显示器等四种方式。
作为飞行仿真系统的构成部分，运动系统向飞行员提供一种身体感觉，它使得驾驶舱整体产生运动，根据自由度以及驱动方式的不同，可以分为万向方式、共动型吊挂方式、共动型支撑方式以及共动型六自由度方式等。利用该运动系统，飞行员可以感觉到实际飞机一样的运动感觉。
与虚拟生物对话
研究人员设计了一种与虚拟生物对话的仿真系统。在该系统中，虚拟世界中的虚拟生物和现实世界中的生物一样，可以决定自己的行动，并且能够动态地应付周围的情况。对于人的挑逗也能够根据情况的不同作出各种复杂的反应，甚至能够进行对话。通过引进虚拟生物，可以实现系统的自主性、交互性及其自然的魅力。
作战仿真系统
各个国家在传统上习惯于通过举行实战演习来训练军事人员和士兵，但是这种实战演练，特别是大规模的军事演习，将耗费大量资金和军用物资，安全性差，而且还很难在实战演习条件下改变状态，来反复进行各种战场态势下的战术和决策研究。近年来，虚拟现实技术的应用，使得军事演习在概念上和方法上有了一个新的飞跃，即通过建立虚拟战场来检验和评估武器系统的性能。例如一种虚拟战场环境，它能够包括在地面行进的坦克和装甲车，在空中飞行的直升机、歼击机、导弹等多种武器平台，并分别属于红、兰交战双方。图（4）为一多机空仿真系统，它除了多台有人驾驶的飞机模拟器和“数字”飞机外，在网上还连着地面威胁环境、空中威胁环境、背景干扰环境等结点。该系统的主要研究目的是对飞机的飞行、火控、航空电子系统进行综合研究，同时研究多机协同空战战术。
图（4）多机空仿真系统
对象可视化技术〖5〗
虚拟风洞
在科学研究中，人们总会面对大量的随机数据，为了从中得到有价值的规律和结论，需要对这些数据进行认真分析。例如，为了设计出阻力小的机翼，人们必须详细分析机翼的空气动力学特性。因此人们发明了风洞实验方法，通过使用烟雾气体使得人们可以用肉眼直接观察到气体与机翼的作用情况，因而大大提高了人们对机翼的动力学特性的了解。虚拟风洞的目的是让工程师分析多旋涡的复杂三维性质和效果、空气循环区域、旋涡被破坏时的乱流等，而这些分析利用通常的数据仿真是很难可视化的。
虚拟物理实验室
在学习过程中，学生总有许许多多的疑问有待解答。虚拟物理实验室〖8〗的设计使得学生可以通过亲身实践―做、看、听来学习的方式成为可能。使用该系统，学生们可以很容易的演示和控制力的大小、物体的形变与非形变碰撞、摩擦系数等物理现象。为了显示物体的运动轨迹，可以对不同大小和质量的运动物体进行轨迹追踪。还可以停止时间的推移，以便仔细观察随时间变化的现象。学生可以通过使用数据手套与系统进行各种交互。
虚拟电力控制室
在现行的电力控制室的设计中，控制台以及显示器的设计一般是用和实物同等大小的模型。研究人员使用虚拟现实技术研制了一个辅助设计控制室的系统。使用该系统可以自由地改变控制室内的配色、照明、报警、显示器的画面构成，以及各种仪表的配置等室内环境。另外，用户还可以在室内移动，以便从不同方向观察室内情况。
现在人们正在研究将图形与实际图象进行融合的系统。使用该系统可以用虚拟空间监视远方的现场，也可以给用户一种自由往返于虚拟空间和远方现场的感觉。但是，目前还没有合适的输出装置。相信这种需要必将会促进虚拟现实技术中硬件装置的研制。
分布式虚拟现实系统
近几十年来，计算机、通讯技术的同步发展和相互促进成为全世界信息技术与产业飞
速发展的主要特征。特别是网络技术的迅速崛起，使得信息应用系统在深度和广度上发生了本质性的变化，分布式虚拟现实系统（DVR）即是一个较为典型的实例〖6〗。所谓DVR是指一个支持多人实时通过网络进行交互的软件系统，每个用户在一个虚拟现实环境中，通过计算机与其它用户进行交互，并共享信息。下面我们分几个方面加以介绍。
分布式虚拟现实系统的产生和发展
分布式虚拟现实的研究开发工作可追溯到80年代初。如1983年美国国防部（DOD）
制定了SIMENT的研究计划；1985年SGI公司开发成功了网络VR游戏DogFlight.到了90年代，一些著名大学和研究所的研究人员也开展了对分布式虚拟现实系统的研究工作，并陆续推出了多个实验性DVR系统或开发环境，典型的例子有美国NPS开发的NPSNET（1990）、美国斯坦福大学的PARADISE/Inverse系统（1992）、瑞典计算机科学研究所的DIVE（1993）、新加坡国立大学的BrickNet（1994）、加拿大Albert大学的MR工具库（1993）及英国Nottingham大学的AVIARY（1994）。
模型结构
分布式虚拟现实系统是基于网络的虚拟环境，在这个环境中，位于不同物理环境位置的多个用户或多个虚拟环境通过网络相联结。根据分布式系统环境下所运行的共享应用系统的个数，可把DVR系统分为集中式结构和复制式结构。集中式结构是只在中心服务器上运行一份共享应用系统。该系统可以是会议代理或对话管理进程。中心服务器的作用是对多个参加者的输入/输出操纵进行管理，允许多个参加者信息共享。它的特点是结构简单，容易实现，但对网络通信带宽有较高的要求，并且高度依赖于中心服务器。
复制式结构是在每个参加者所在的机器上复制中心服务器，这样每个参加者进程都有一份共享应用系统。服务器接收来自于其它工作站的输入信息，并把信息传送到运行在本地机上的应用系统中，由应用系统进行所需的计算并产生必要的输出。它的优点是所需网络带宽较小。另外，由于每个参加者只与应用系统的局部备份进行交互，所以，交互式响应效果好。但它比集中式结构复杂，在维护共享应用系统中的多个备份的信息或状态一致性方面比较困难。
3.DVR的网络通信
我们在设计和实现DVR系统时，必须考虑以下网络通信因素：
带宽 网络带宽是虚拟世界大小和复杂度的一个决定因素。当参加者增加时，带
宽需求也随着增加。这个问题在局域网中并不突出，但在广义网上，带宽通常限制为1.5Mbps,而通过Internet访问的潜在用户数目却比较大。
分布机制 它直接影响系统的可扩充性。常用的消息发布方法为广播、多播和单
播。其中，多播机制允许任意大小的组在网上进行通信，它能为远程会议系统和分布式仿真类的应用系统提供1-多和多-多的消息发布服务。
延迟 影响虚拟环境交互和动态特性的因素是延迟。如果要使分布式环境仿真真
实世界，则必须实时操作，从而增加真实感。对于DVR系统中的网络延迟可以通过使用专用联结、对路由器和交换技术进行改进、快速交换接口和计算机等来缩减。
可靠性 在增加通信带宽和减少通信延迟这两方面进行折衷时，则要考虑通信的
可靠性问题。可靠性由具体的应用需求来决定。有些协议有较高的可靠性，但传输速度慢，反之亦然。
分布式虚拟现实系统的多协议模型
由于在DVR系统中需要交换的信息种类很多，单一的通信协议已不能满足要求，这时
就需要开发多种协议，以保证在DVR系统中进行有效的信息交换。协议可以包括：联结管理协议、导航控制协议、几何协议、动画协议、仿真协议、交互协议和场景管理协议等。在使用过程中，可以根据不同的用户程序类型，组合使用以上多种协议，图（5）即为一个例子。
图（5） 不同的客户需要使用不同的协议
分布式虚拟现实系统的应用
分布式虚拟现实系统在远程教育、科学计算可视化、工程技术、建筑、电子商务、交
互式娱乐、艺术等领域都有着极其广泛的应用前景。利用它可以创建多媒体通信、设计协作系统、实境式电子商务、网络游戏、虚拟社区全新的应用系统。典型的应用领域有：
教育应用
把分布式虚拟现实系统用于建造人体模型、电脑太空旅游、化合物分子结构显示等领域，由于数据更加逼真，大大提高了人们的想象力、激发了受教育者的学习兴趣，学习效果十分显著。同时，随着计算机技术、心理学、教育学等多种学科的相互结合、促进和发展，系统因此能够提供更加协调的人机对话方式，
工程应用
当前的工程很大程度上要依赖于图形工具，以便直观地显示各种产品，目前，CAD/CAM已经成为机械、建筑等领域必不可少的软件工具。分布式虚拟现实系统的应用将使工程人员能通过全球网或局域网按协作方式进行三维模型的设计、交流和发布，从而进一步提高生产效率并削减成本。
商业应用
对于那些期望与顾客建立直接联系的公司，尤其是那些在他们的主页上向客户发送电子广告的公司，Internet具有特别的吸引力。分布式虚拟系统的应用有可能大幅度改善顾客购买商品的经历。例如，顾客可以访问虚拟世界中的商店，在那里挑选商品，然后通过Internet办理付款手续，商店则及时把商品送到顾客手中。
娱乐应用
娱乐领域是分布式虚拟现实系统的一个重要应用领域。它能够提供更为逼真的虚拟环境，从而使人们能够享受其中的乐趣，带来更好的娱乐感觉。
虚拟现实技术的进一步展望
正如其它新兴科学技术一样，虚拟现实技术也是许多相关学科领域交叉、集成的产物。
它的研究内容涉及到人工智能、计算机科学、电子学、传感器、计算机图形学、智能控制、心理学等〖7〗。我们必须清醒地认识到，虽然这个领域的技术潜力是巨大的，应用前景也是很广阔的，但仍存在着许多尚未解决的理论问题和尚未克服的技术障碍。客观而论，目前虚拟现实技术所取得的成就，绝大部分还仅仅限于扩展了计算机的接口能力，仅仅是刚刚开始涉及到人的感知系统和肌肉系统与计算机的结合作用问题，还根本未涉及“人在实践中得到的感觉信息是怎样在人的大脑中存储和加工处理成为人对客观世界的认识”这一重要过程。只有当真正开始涉及并找到对这些问题的技术实现途径时，人和信息处理系统间的隔阂才有可能被彻底的克服了。我们期待这有朝一日，虚拟现实系统成为一种对多维信息处理的强大系统，成为人进行思维和创造的助手和对人们已有的概念进行深化和获取新概念的有力工具。
参考文献
汪成为，高文，王行仁。 灵境（虚拟现实）技术的理论、实现及应用 清华大学出版社
1996.
2.Earnshaw R A,et al, Virtual Reality System Academic Press,1993
曾建超，俞志和。 虚拟现实的技术及其应用 清华大学出版社，1996
Bejczy A K Virtual Reality in Robotics. ISBN:0-7803-3685-2/96 1996 IEEE:7-14
5.Jacobson L. Garage Virtual Reality. Sams Publishing,1994
6.Wodaski R Virtual Reality Madness. SAMS Publishing, 1993
7.Wexelblat A Virtual Reality:Applications and Explorations. Boston,MA:Academic Press
Professional, 1993
8.Wickens C D Virtual Reality and Education. In:Proceedings of IEEE International
Confernce on Systems,Man and Cybernetics. New York, NY:IEEE,1992
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